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發光二極管(LED)因受到發熱問題的制約而妨礙其成為一種理想光源的情況是可以理解的。我們對散熱器給予了很大關注，但卻對LED和散熱表面間的各層和屏障考慮不多。 觀念和材料的改變除可簡化系統實現外，還可以顯著提高熱管理能力和可靠性。采用陶瓷作為散熱器、電路載體以及產品設計的一部分不僅需要新思路，還要有克服傳統模式的意愿。 基于計算流體動力學(CFD)的仿真過程支持熱優化和產品工藝設計。本文將解釋這種理論方法、概念驗證以及如何借助陶瓷散熱器最終實現這些改良。 熱是什么 眾所周知，LED是高能效光源，而且因為體積小深受設計師的喜愛。但只有當不涉及熱管理時，它們才可以被真正地稱為“小”。雖然與白熾光源高達2500℃的工作溫度相比，LED光源溫度要低得多。因此，許多設計師最終意識到散熱是個不可忽視的問題。盡管LED仍然會發熱，但其溫度相對低一些，因此這不會有什么大問題。不過，基于半導體器件LED其工作溫度應低于100℃。 根據能量守恒定律，熱(能)必須要被傳送到附近區域。LED只能工作在25℃環境溫度和最高100℃之間，溫差范圍僅為75℃。因此，需要一個較大的散熱表面和非常有效的熱管理。 兩個優化塊 如圖1所示，Group 1是LED本身，大體上仍是不能觸摸。中心位置是LED裸片以及一個將該裸片與LED底部連接起來的散熱銅條。從熱的角度講，理想方案是將LED裸片直接與散熱器綁定在一起。由于大規模生產的原因，這一概念在商業上行不通。我們把LED看作一個標準化的“目錄”產品，不能做改動。它是個黑盒子。 
圖1：在定義優化塊時，三個Group構建成一個熱管理系統。 Group 2包括散熱器，散熱器的功能是把熱從發熱源傳遞到散熱源。通常，周圍空氣不是自由流動就是強制對流。散熱器的材料越不雅觀，就越需被隱藏。但是，它隱藏得越深，其制冷效率也就越低。當然，也可選用外觀和性能都合適的材料。這些材料可以直接裸露在空氣中，成為產品設計的可見部分。 在Group 1和Group 2之間是Group 3，它提供了機械連接、電氣隔離和熱傳導。這看起來似乎很矛盾，因為大多數導熱性好的材料也可導電。反之，幾乎每種電絕緣材料也都隔熱。 最好的折衷辦法是把LED焊接到粘在金屬散熱器上的印刷電路板(PCB)上。PCB作為電路板的原始功能可被保留。雖然PCB具有各種熱傳導率，但它們都對熱傳導起著阻隔作用。 有效的系統熱阻比較 可從制造商那里獲得LED(裸片到導熱片)和散熱器間的熱阻。不過，很少有人關注Group 3及其對整體熱性能的顯著影響。把除LED(Group 1)本身外的所有熱阻都加在一起，可以得到總熱阻(RTT)(圖2)。通過RTT可進行真正的熱比較。
圖2：RTT指明了從LED散熱片到周圍環境的總熱阻。 陶瓷：一種材料實現兩種功能 僅優化散熱器的作法很常見。目前已有上百種散熱器設計，它們基本上都由鋁構造。但為進一步改進性能，有必要提升甚至取消Group 3。電氣隔離功能必須通過其它材料從散熱器本身獲得。我們認為這種材料應該是陶瓷。諸如Rubalit(氧化鋁)或Alunit(氮化鋁)等陶瓷材料將兩個關鍵特性：電絕緣和熱傳導結合在一起。 Rubalit的導熱性能比鋁低，而Alunit的比鋁略高。另一方面，Rubalit不像Alunit那么貴(圖3)。它們的熱膨脹系數可滿足半導體的要求。此外，它們堅硬、耐腐蝕，并滿足歐盟的有害物質限用指令 (RoHS)。陶瓷是完全惰性物質，它們是整個系統最耐用的部分。
該簡化結構(無膠粘、絕緣層等)將一個大功率LED與陶瓷散熱器直接且永久地綁定在一起，為整個組件創造了理想的工作條件。這帶來了優異的長期穩定性，安全的熱管理和高可靠性。我們已為這一方法申請了名為CeramCool的專利。 理論依據 CeramCool陶瓷散熱器是電路板和散熱器的有效整合，可以對熱敏感元件和電路進行可靠地散熱。它支持器件間直接和永久的連接。此外，陶瓷本身是不導電的，它可以通過采用金屬襯墊提供綁定表面。如果需要，甚至可提供針對客戶的三維導體軌道結構。 對功率電子應用來說，可采用直接銅綁定。散熱器變成一個模塊基板，上面可密集擺放LED和其它器件。它可迅速地散掉產生的熱且不產生任何熱屏障。 概念的驗證 首先采用幾個模擬模型對采用陶瓷這一想法進行了交叉驗證。為預測各種設計的熱性能，發明了一種基于CFD的方法。此外，還開發了一個優化的4W LED陶瓷散熱器。開發時將制造要求考慮在內。 優化的幾何形狀允許4W LED的工作溫度最高不超過60℃，這已經通過了物理測試。該設計是方形布局(38×38×24mm)，并包含占據更大空間的細長鰭。而具有相同幾何布局的鋁制基板(帶有安裝在PCB上的LED)可承受的溫度要高得多。根據PCB的熱傳導率(從4W/mK到1.5W/mK)，溫度可上升6至28K。 將熱點的溫度降低6k意味著可顯著減少LED的壓力。相同形狀Rubalit組件的總熱阻至少比鋁要好13％。使用Alunit可將CeramCool性能提升最少31％。如果考慮28K的熱降，則Rubalit和Alunit這兩種陶瓷材料帶來的實在的好處更要顯著得多。 方法的靈活性 這是一種靈活的方法，可用于不同目的。你可以選擇使LED工作在其最佳溫度以確保LED的長壽命及更高的每瓦流明數；也可以選擇接收較高工作溫度帶來的使用壽命和效率降低。50℃到110℃是常見的溫度范圍。若需要更高流明，5或6W LED可配備4W散熱器。用幾個1W LED分攤功率有助于改進散熱：65℃對應5W；70℃對應6W(圖4)。
隨著芯片永久可靠地與CeramCool電絕緣材料綁定在一起，該陶瓷散熱器吸收了更多熱量、變得更熱。它消除了LED的散熱負擔，對重要部件進行了冷卻。降低了的裸片溫度也允許采用更小的表面，因此，散熱器可做得更小。 2 毫米間距水冷 在很高的功率密度下，空氣冷卻會達到其極限。此時，液體冷卻是替代的選擇。CeramCool水冷就是一個例子，它得益于陶瓷惰性特征帶來的好處。這一思路與風冷散熱器的目標一致：即熱源和散熱通道之間的距離最短。 采用陶瓷散熱器，可以在與LED散熱塊相距僅2毫米處實施對水的冷卻。沒有其它方法可以做到這一點，同時又具有陶瓷的耐用特性。多層(Multilateral) 電路可直接印制在陶瓷上且不會產生熱屏障。 定制方案的仿真模型 由于大部分采用CeramCool的應用都是客戶定制方案，因此在構建第一個昂貴的原型之前對其性能進行驗證就非常有必要。為此進行了深入的研究來建立仿真模型。這些仿真模型已通過各種測試驗證，并證明了它們與各測試結果的可靠相關性。基于這一認識，可以很容易地對新方法或新變化進行評估。 燈具改裝和絕緣 改裝燈具的主要問題涉及絕緣。任何改裝燈都必須采用Class II結構，因為你無法保證能提供電氣地。這意味著任何裸露的金屬部分必須通過雙重或增強的絕緣與主電源線隔離。 金屬散熱器的改裝往往無法做到這一點，因為它們要求更大的間隔(如6mm客氣間隔)或雙絕緣層，這會影響散熱器的工作。GU10 LED中集成的電子驅動器受到極其苛刻的空間限制，以致產品變得非常復雜。采用陶瓷散熱器，即使驅動器完全失效，散熱器仍對主電源起著絕緣作用，所以產品仍是安全的。 CeramCool GU10 LED射燈可與任何LED一起工作。插座和反射器由同一種高性能陶瓷材料制成。因此，它具有安全絕緣的簡單Class II結構。一個高壓4W LED能達到的最高溫度不超過60℃，從而既延長了產品壽命又增加了光輸出。 所有CeramCool散熱器的基板都起散熱器的作用。此時它充當燈具甚至光源。該簡化設計具有極高可靠性。此外，GU10 LED射燈的安裝支架和反射器通常采用不同材料。該方案所用的材料少得多，并充分利用了陶瓷的電氣絕緣性、良好的電磁兼容性(EMC)以及高的機械和化學穩定性等特性。 用于改進現有LED系統的子基板 陶瓷可極大提升新的和現有LED系統的性能。利用陶瓷CeramCool子基板(submount)，可輕松取代LED和金屬散熱器之間的PCB，極大地減小了系統總熱阻。此舉在提供優異的電氣絕緣和高溫穩定性的同時，還具有諸如良好的熱傳導等重要優勢。無論它是子基板還是一塊完整電路板，陶瓷都是絕對耐腐蝕的，這消除了特別是在戶外發生的電化腐蝕。 CeramCool非常適合大功率應用，尤其是戶外的此類應用。事實上，一種滿足不同功率等級需求的圓形散熱器系列正在開發之中。這一方法結合了具成本效益的生產與高度靈活的使用兩種要求。其最終結果將是一種“半定制”產品系列。 金屬化和部件載體 為充分利用優化潛力，我們也必須考慮金屬化的可能性。可采用經過驗證的厚膜技術及其高粘附力 (WNi(金)、銀、銀鈀、金、DCB、AMB等)或借助薄膜工藝及其平滑表面(可實現精密光角)對陶瓷進行直接涂層。使用化學鍍鎳或金(沉浸或陰極沉積法)可獲得更好的焊接質量。 金屬化的可能性使得散熱器的整個表面可用作電路載體，可將其與LED和驅動器牢固地封裝在定制的電路上，同時提供了可靠的電氣絕緣。將芯片直接綁定到特殊設計的金屬表面上可簡化該過程。 裝配和質量檢查 德國著名的電子服務中心BMK可進行這種裝配。該公司可實現樣機，也可進行批量生產。生產中，采用機械結構實現散熱器，并通過一塊模板將組件本身自動提供的焊錫膏壓擠到組件上面。 該加工工程的下一步，是先把LED和其它元件安裝在散熱器上，再進行后續的回流焊工序。冷卻后就得到了一個持久的綁定。先對焊接點和組件位置進行目視檢查，隨后執行100％的功能測試。到此，該產品已經完成并隨時可以交付給客戶。 作者：Donald Schelle, Marc Davis-Marsh |
